stringtranslate.com

N-щелевой интерферометр

Интерферометр с N -щелью является расширением двухщелевого интерферометра, также известного как двухщелевой интерферометр Юнга. Одно из первых известных применений N -щелевых матриц в оптике было проиллюстрировано Ньютоном . [1] В первой половине двадцатого века Майкельсон [2] описал различные случаи дифракции на N -щелях .

Фейнман [3] описал мысленные эксперименты по исследованию двухщелевой квантовой интерференции электронов, используя обозначения Дирака . [4] Этот подход был распространен на интерферометры с N -щелями Дуарте и его коллегами в 1989 году [5] с использованием лазерного освещения с узкой шириной линии, то есть освещения неразличимыми фотонами. Первым применением N -щелевого интерферометра было создание и измерение сложных интерференционных картин. [5] [6] Эти интерферограммы точно воспроизводятся или предсказываются интерферометрическим уравнением с N -щелями как для четных ( N = 2, 4, 6,...), так и для нечетных ( N = 3, 5, 7, ...), количество щелей. [6]

N -щелевой лазерный интерферометр

Схема интерферометра с N-щелью, вид сверху: TBE — телескопический расширитель луча, MPBE — многопризменный расширитель луча. Матрица N-щелей находится в точке j (щели перпендикулярны расширению луча), а интерферометрическая плоскость находится в точке x , где расположен цифровой детектор. [6] [7] [8] [9] Сообщается, что внутриинтерферометрическое расстояние D достигает 527 м. Примечание . К N -щелевым интерферометрам относятся трехщелевые интерферометры (или трехщелевые интерферометры), четырехщелевые интерферометры и т. д. [7] [8]

Лазерный интерферометр с N -щелью , предложенный Дуарте [5] [6] [10], использует призматическое расширение луча для освещения пропускающей решетки или матрицы с N -щелями и матрицы фотоэлектрических детекторов (например, ПЗС или КМОП ) на интерференционная плоскость для регистрации интерферометрического сигнала. [6] [10] [11] Расширенный лазерный луч, освещающий решетку N -щелей, является однопоперечномодовым и имеет узкую линию. Этот луч также может принимать форму луча, чрезвычайно вытянутого в плоскости распространения и чрезвычайно тонкого в ортогональной плоскости, за счет введения выпуклой линзы перед призматическим расширителем. [6] [10] Такое использование одномерного (или линейного) освещения устраняет необходимость поточечного сканирования в микроскопии и микроденситометрии . [6] [10] Таким образом, эти инструменты можно использовать как прямые интерферометры с N -щелями или как интерферометрические микроскопы .

Раскрытие этой интерферометрической конфигурации привело к использованию цифровых детекторов в N -щелевой интерферометрии. [5] [11]

Приложения

Безопасная оптическая связь

Интерферограмма для N = 3 щелей с дифракционной картиной, наложенной на правое внешнее крыло. Эта конкретная интерферограмма соответствует интерферометрическому символу «b». [9]
Дифракционная картина на интерферограмме, показанной выше, соответствующей N = 3 щелям, была получена с использованием одного волокна паутины диаметром около 25 мкм. [9]

Эти интерферометры, первоначально представленные для применения в визуализации [6] , также полезны в оптической метрологии и были предложены для безопасной оптической связи в свободном пространстве [ 7] [12] между космическими кораблями. Это связано с тем, что распространяющиеся N -щелевые интерферограммы страдают от катастрофического коллапса из-за попыток перехвата с использованием макроскопических оптических методов, таких как расщепление луча. [7] Последние экспериментальные разработки включают наземные внутриинтерферометрические трассы длиной 35 метров [8] и 527 метров. [9]

Эти большие и очень большие интерферометры с N -щелями используются для изучения различных эффектов распространения, включая микроскопические помехи при распространении интерферометрических сигналов. Эта работа позволила впервые наблюдать дифракционные картины, наложенные на распространяющиеся интерферограммы. [9]

Эти дифракционные картины (как показано на первой фотографии) создаются путем вставки волокна паутины (или нити паутины ) в путь распространения интерферограммы. Положение волокон паутины перпендикулярно плоскости распространения. [9]

Ясная турбулентность воздуха

N -щелевые интерферометры, использующие большие внутриинтерферометрические расстояния, являются детекторами турбулентности ясного воздуха . [8] [9] Искажения, вызванные турбулентностью ясного неба в интерферометрическом сигнале, отличаются как по характеру, так и по величине от катастрофического коллапса, возникающего в результате попытки перехвата оптических сигналов с использованием макроскопических оптических элементов. [13]

Расширенная интерферометрическая микроскопия

Первоначальное применение N -щелевого лазерного интерферометра заключалось в интерферометрической визуализации . [6] [10] [14] В частности, одномерно расширенный лазерный луч (с поперечным сечением 25-50 мм и высотой 10-25 мкм) использовался для освещения поверхностей изображения (таких как пленки галогенида серебра ) для измерить микроскопическую плотность освещенной поверхности. Отсюда и термин интерферометрический микроденситометр . [10] Разрешение вплоть до нано-режима может быть обеспечено с помощью интеринтерферометрических расчетов . [6] При использовании в качестве микроденситометра N -щелевой интерферометр также известен как лазерный микроденситометр. [14]

Расширенный лазерный луч с множеством призм также описывается как чрезвычайно удлиненный лазерный луч . Удлиненный размер луча (25-50 мм) находится в плоскости распространения, а очень тонкий размер (в микрометровом режиме) луча находится в ортогональной плоскости. Это было продемонстрировано для приложений визуализации и микроскопии в 1993 году. [6] [10] Альтернативные описания этого типа чрезвычайно удлиненного освещения включают термины «линейное освещение», «линейное освещение», «освещение тонким световым слоем» (в микроскопии светового листа) и «плоское освещение». освещение (в микроскопии с селективным плоскостным освещением).

Другие приложения

Интерферометры с N -щелями представляют интерес для исследователей, работающих в области атомной оптики, [15] построения изображений Фурье, [16] оптических вычислений, [17] и квантовых вычислений. [18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ И. Ньютон, Оптика (Королевское общество, Лондон, 1704 г.).
  2. ^ А. А. Майкельсон, Исследования по оптике (Чикагский университет, Чикаго, 1927).
  3. ^ Р.П. Фейнман, Р.Б. Лейтон и М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике , Vol. III (Аддисон Уэсли, Ридинг, 1965).
  4. ^ ПАМ Дирак , Принципы квантовой механики , 4-е изд. (Оксфорд, Лондон, 1978 г.).
  5. ^ abcd Ф. Дж. Дуарте и DJ Пейн, Квантово-механическое описание явлений интерференции с N -щелями, в Трудах Международной конференции по лазерам '88 , RC Sze и FJ Duarte (ред.) (STS, Маклин, Вирджиния, 1989), стр. 42 –47.
  6. ^ abcdefghijk Дуарте, FJ (1993). «Об обобщенном уравнении интерференции и интерферометрических измерениях». Оптические коммуникации . 103 (1–2). Эльзевир Б.В.: 8–14. Бибкод : 1993OptCo.103....8D. дои : 10.1016/0030-4018(93)90634-h. ISSN  0030-4018.
  7. ^ abcd Дуарте, FJ (11 декабря 2004 г.). «Безопасная интерферометрическая связь в свободном пространстве: повышенная чувствительность к распространению в метровом диапазоне». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 7 (1). Издательство ИОП: 73–75. дои : 10.1088/1464-4258/7/1/011. ISSN  1464-4258. S2CID  120406651.
  8. ^ abcd Дуарте, Ф.Дж.; Тейлор, Т.С.; Кларк, AB; Давенпорт, МЫ (25 ноября 2009 г.). «Интерферометр с N-щелью: расширенная конфигурация». Журнал оптики . 12 (1). Издательство IOP: 015705. Бибкод : 2010JOpt...12a5705D. дои : 10.1088/2040-8978/12/1/015705. ISSN  2040-8978. S2CID  121521124.
  9. ^ abcdefg Дуарте, ФДж; Тейлор, Т.С.; Блэк, AM; Давенпорт, МЫ; Варметт, PG (3 февраля 2011 г.). «Интерферометр с N-щелью для безопасной оптической связи в свободном пространстве: длина внутриинтерферометрического пути 527 м». Журнал оптики . 13 (3). Издательство IOP: 035710. Бибкод : 2011JOpt...13c5710D. дои : 10.1088/2040-8978/13/3/035710. ISSN  2040-8978. S2CID  6086533.
  10. ^ abcdefg Ф. Дж. Дуарте, Электрооптическая интерферометрическая система микроденситометра, патент США 5255069 (1993). Архивировано 13 октября 2017 г. в Wayback Machine .
  11. ^ ab FJ Дуарте, в книге «Высокомощные лазеры на красителях» (Springer-Verlag, Берлин, 1991), Глава 2.
  12. ^ Дуарте, FJ (2002). «Безопасная интерферометрическая связь в свободном космосе». Оптические коммуникации . 205 (4–6). Эльзевир Б.В.: 313–319. Бибкод : 2002OptCo.205..313D. дои : 10.1016/s0030-4018(02)01384-6. ISSN  0030-4018.
  13. ^ Ф. Дж. Дуарте, Интерферометрическая визуализация, в журнале Tunable Laser Applications , 2-е издание (CRC, Нью-Йорк, 2009 г.), Глава 12.
  14. ^ ab Ф. Дж. Дуарте, Интерферометрическая визуализация, в журнале Tunable Laser Applications (Марсель-Деккер, Нью-Йорк, 1995), Глава 5.
  15. ^ ЛБ. Дэн, Теория атомной оптики: метод интеграла по траекториям Фейнмана, Frontiers Phys. Китай 1 , 47–53 (2006).
  16. ^ Лю, Хунлинь; Шен, Ся; Чжу, Да-Мин; Хан, Шэньшэн (07 ноября 2007 г.). «Призрачные изображения с преобразованием Фурье с чистым коррелированным тепловым светом в дальней зоне». Физический обзор А. 76 (5). Американское физическое общество (APS): 053808. Бибкод : 2007PhRvA..76e3808L. doi : 10.1103/physreva.76.053808. ISSN  1050-2947.
  17. ^ Ф. Дж. Дуарте, Настраиваемая лазерная оптика, 2-е издание (CRC, Нью-Йорк, 2015), Глава 10.
  18. ^ Клаузер, Джон Ф.; Даулинг, Джонатан П. (1 июня 1996 г.). «Факторизация целых чисел с помощью N-щелевого интерферометра Юнга». Физический обзор А. 53 (6). Американское физическое общество (APS): 4587–4590. arXiv : 0810.4372 . Бибкод : 1996PhRvA..53.4587C. doi :10.1103/physreva.53.4587. ISSN  1050-2947. PMID  9913434. S2CID  34750766.